لمراقبة البيئة والتنقل في العالم الحقيقي ، يجب أن يكون الروبوت قادرا على الحصول على صور وقياسات بيئية في ظل ظروف إضاءة خلفية مختلفة. في السنوات الأخيرة ، كان الباحثون والمهندسون في جميع أنحاء العالم يعملون على تطوير أجهزة استشعار أكثر تقدما للاندماج في الروبوتات أو أنظمة المراقبة أو الأجهزة الأخرى التي يمكنها استشعار محيطها.
وفقا لشركة ميمز للاستشارات ، طور باحثون من جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية وجامعة بكين وجامعة يونسي وجامعة فودان مؤخرا نوعا جديدا من أجهزة استشعار الرؤية الإلكترونية التي تستخدم آلية تحاكي وظيفة الشبكية بشكل مصطنع ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من البيانات التي تم جمعها تحت ظروف الإضاءة. يعتمد مستشعر الرؤية الإلكترونية هذا على الترانزستورات الضوئية المصنوعة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم.
صورة لمجموعة أجهزة استشعار الرؤية المحاكية الحيوية (يسار)؛ الهيكل التخطيطي لوحدة استشعار الرؤية وصورة المجهر الضوئي (يمين)
"بدأ فريقنا البحثي العمل على الذاكرة الإلكترونية الضوئية منذ خمس سنوات" ، قال يانغ تشاي ، أحد الباحثين الذين طوروا مستشعر الرؤية. "يمكن لهذا الجهاز الناشئ إخراج إشارات تعتمد على الضوء وتعتمد على التاريخ ، مما يتيح تكامل الصور. ، وتراكم الإشارات الضعيف ، والتحليل الطيفي وغيرها من وظائف معالجة الصور المعقدة ، والتكامل متعدد الوظائف للاستشعار وتخزين البيانات ومعالجة البيانات في جهاز واحد."
في عام 2018 ، نشر يانغ تشاي وزملاؤه أول ورقة بحثية حول الذاكرة الإلكترونية الضوئية ، حيث قدموا جهاز ذاكرة تبديل مقاوم يمكنه إجراء عمليات استشعار الضوء والمنطق. وبعد مرور عام، قدم الفريق نوعا جديدا من ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة للضوء مع ثلاث وظائف مختلفة. على وجه التحديد ، يمكن للجهاز الجديد استشعار البيئة ، وتخزين المعلومات في الذاكرة ، وإجراء عمليات المعالجة المسبقة البصرية العصبية.
"لقد درسنا مفاهيم نماذج الحوسبة القريبة من أجهزة الاستشعار وداخل أجهزة الاستشعار في عام 2020 ونشرنا وجهات نظرنا في هذا المجال." وتابع يانغ تشاي: "هذا البحث الجديد حول مستشعرات الرؤية المحاكاة الحيوية يعتمد على جميع جهودنا السابقة".
تختلف شدة الضوء الطبيعي المحيط اختلافا كبيرا ، حيث يبلغ النطاق الإجمالي 280 ديسيبل. عندما تستشعر شبكية العين البشرية إشارات ضوئية خارجية ، فإنها تضبط حساسية الضوء لمستقبلاتها الضوئية (أي القضبان والمخاريط) وفقا لقوة الإشارة. وهذا يمكن العين البشرية في نهاية المطاف من التكيف تدريجيا مع مستويات مختلفة من الإضاءة، مما يسمح لها بالرؤية بوضوح في كل من البيئات المظلمة والساطعة، وهي قدرة تعرف باسم "التكيف البصري".
"على سبيل المثال ، عندما تدخل سينما مظلمة من قاعة مشرقة ، بالكاد يمكنك رؤية أي شيء في البداية ، ولكن بعد فترة من الوقت في السينما ، يصبح من الأسهل رؤية الأشياء" ، يوضح يانغ تشاي. "هذه الظاهرة تسمى التكيف السكوتوبي. على العكس من ذلك ، إذا انتقلت من دار سينما مظلمة إلى مكان مشمس في الهواء الطلق ، فستشعر بالإبهار الشديد في البداية ، ويستغرق الأمر بعض الوقت لتعتاد على رؤية ما يحدث من حولك. العملية يسمى عكس التكيف المظلم التكيف الفوتوبي".
الهدف الرئيسي من عمل يانغ تشاي وزملاؤه الأخير هو بناء مستشعر رؤية مستوحى من بنية ووظيفة شبكية العين البشرية. للقيام بذلك ، بدأوا أولا بدراسة شبكية العين البشرية ثم حاولوا تصميم استراتيجيات إدراكية تسمح لهم بمحاكاة التكيفات البصرية بشكل مصطنع.
عادة ما يكون لمستشعرات الصور الحديثة القائمة على تقنية CMOS نطاق ديناميكي محدود يبلغ 70 ديسيبل. ومع ذلك ، فإن هذا النطاق الديناميكي أضيق بكثير من نطاق إضاءة المشاهد الطبيعية (280 ديسيبل).
وقال يانغ تشاي: "لتحقيق الإدراك البصري عبر مجموعة واسعة من شدة الضوء ، استكشف الباحثون استخدام الفتحات البصرية التي يتم التحكم فيها ، والعدسات السائلة ، وأوقات التعرض القابلة للتعديل ، وخوارزميات إزالة الضوضاء في مرحلة ما بعد المعالجة". "ومع ذلك ، غالبا ما تتطلب هذه الأساليب موارد معقدة من الأجهزة والبرمجيات."
التكيف الداكن والضوء لمصفوفات مستشعر الرؤية المحاكاة الحيوية. (أ) مخطط اختبار التكيف مع الظلام: التعرف على الصور ذات الإضاءة المنخفضة باستخدام مصفوفة 8 × 8 بكسل في بيئة مظلمة. (ب) رسم تخطيطي لاختبار التكيف مع الضوء: التعرف على الصور عالية الإضاءة باستخدام صفيف 8 × 8 بكسل في بيئة ساطعة. (ج) عملية التكيف المظلم لتحديد النمط "8". (د) عملية التكيف الضوئي لتحديد النمط "8".
يمكن أن يكون للأجهزة الإلكترونية الضوئية ذات الرؤية المتكيفة مع الضوء ونطاق الاستشعار الواسع في المحطات الحسية تطبيقات قيمة للغاية. على سبيل المثال ، يمكنهم المساعدة في تحسين أداء أدوات رؤية الكمبيوتر ، وتقليل تعقيد الأجهزة المطلوبة لبناء الروبوتات أو أنظمة الاستشعار الأخرى ، وتحسين دقة أنظمة التعرف على الصور.
على الرغم من أن فرق بحثية أخرى طورت أجهزة إلكترونية بصرية يمكنها التكيف مع ظروف الإضاءة المختلفة في الماضي. ومع ذلك ، فإن معظم الأجهزة التي تم عرضها سابقا يمكن أن تحاكي فقط آلية التكيف مع الضوء في شبكية العين. وقد ثبت حتى الآن أن عملية التكيف مع الظلام أكثر صعوبة في محاكاتها.
"لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه لتكرار وظيفة التكيف البصري لشبكية العين بالكامل" ، يوضح يانغ تشاي. ولتحقيق ذلك، قمنا بتصميم مستشعر رؤية قائم على الترانزستور الضوئي باستخدام أشباه الموصلات فائقة النحافة التي يمكنها التحكم في درجة التكيف مع الظلام والتكيف مع الضوء في نفس الجهاز من خلال تطبيق فولتية بوابة مختلفة. وبهذه الطريقة، قمنا بمحاكاة المستقبلات الضوئية والخلايا الأفقية في شبكية العين وحققنا بنجاح نطاق استشعار يبلغ 199 ديسيبل. أجهزة تتكيف مع الرؤية في أجهزة الاستشعار المحاكاة الحيوية."
المحاكاة الاصطناعية للمستقبلات الضوئية والخلايا الأفقية في شبكية العين للتكيف البصري (التكيف المظلم والتكيف مع الضوء)
يعتمد مستشعر الرؤية المحاكاة الحيوية الذي طوره يانغ تشاي وزملاؤه على الترانزستورات الضوئية المصنوعة من مادة أشباه الموصلات فائقة النحافة المعروفة باسم ثاني كبريتيد الموليبدينوم. تحتوي الترانزستورات الضوئية التي استخدموها على حالات مصيدة شحنة متعددة يمكنها احتجاز أو إطلاق الإلكترونات داخل القناة عند فولتية بوابة مختلفة.
في نهاية المطاف ، تسمح هذه الحالات للباحثين بضبط توصيل أجهزتهم ديناميكيا. وهذا بدوره سمح لهم بمحاكاة الآليات المظلمة والضوئية للتكيف بشكل مصطنع في شبكية العين البشرية، وبالتالي توسيع نطاق إدراك أجهزة الاستشعار الخاصة بهم لظروف الإضاءة المختلفة.
"لدينا استشعار الرؤية الإلكترونية لديه العديد من المزايا والميزات" ، وقال يانغ تشاي. "أولا ، يتم تنفيذ وظيفة التكيف البصري في جهاز واحد ، مما يقلل بشكل كبير من البصمة. ثانيا ، يمكن تنفيذ وظائف متعددة على جهاز واحد. ، بما في ذلك استشعار الضوء والذاكرة والمعالجة. وأخيرا، يمكن تحقيق التكيف مع الظلام والضوء تحت شدة الضوء المختلفة من خلال التحكم في جهد البوابة".
قام يانغ تشاي وزملاؤه بتقييم مستشعر الرؤية الإلكترونية في سلسلة من الاختبارات ووجدوا أنه يمكن أن يحاكي بشكل فعال وظيفة شبكية العين البشرية ، ويحقق نتائج ملحوظة في كل من التكيف مع الظلام والضوء. علاوة على ذلك ، لديها نطاق إدراكي أعلى بكثير (199 ديسيبل) مقارنة بالحلول المقترحة سابقا.
وقال يانغ تشاي: "يمكن لمستشعر الرؤية لدينا إثراء وظائف رؤية الماكينة ، وتقليل تعقيد الأجهزة ، وتحقيق كفاءة عالية في التعرف على الصور" ، "كل هذه المزايا متوفرة في مجالات مثل القيادة الذاتية ، والتعرف على الوجوه ، والتصنيع الصناعي في بيئات الإضاءة المعقدة. آفاق تطبيق كبيرة."
في الدراسات المستقبلية ، يخطط الباحثون لزيادة تحسين أداء مستشعر الرؤية ، مع استخدامه أيضا لتصنيع أنظمة واسعة النطاق تتكون من صفائف أجهزة الاستشعار. من الناحية المثالية ، يريدون بناء مجموعة أجهزة الاستشعار هذه على ركيزة مرنة أو نصف كروية لتمكين مجال رؤية أوسع.
"أحد المجالات التي تحتاج إلى تحسين هو وقت التكيف لمستشعر الرؤية لدينا ، لأنه لا يزال غير كاف لدعم تطبيقات رؤية الآلة." وأضاف يانغ تشاي: "هدفنا هو تقليل وقت التكيف إلى مستوى الميكروثانية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة أيضا إلى مقياس صفيف مستشعر الرؤية. هدفنا على المدى القريب لحجم الصفيف أكبر من 100 × 100 بكسل. وأخيرا، يعد التكامل غير المتجانس بين أجهزة استشعار الرؤية ووحدات ما بعد المعالجة، بما في ذلك دوائر التحكم القائمة على السيليكون، خطوة مهمة للغاية نحو التطبيقات العملية".
تشارك GMKJ Technology بعمق في مصادر الإضاءة الصحية والذكية ، حيث توفر مجموعة كاملة من منتجات وحلول UVA UVB UVC LED ، الأشعة تحت الحمراء IR LED VCSEL إلى السوق. لديها المئات من الشركاء ذوي الجودة العالية في الأسواق المحلية والأجنبية لتعزيز استخدام التكنولوجيا الخفيفة بشكل مشترك لخلق حياة صحية وذكية. .
